Ovaj se članak bavi uobičajenim izazovima s kojima se susreću dizajneri u području industrijske automatizacije pri razvoju sučelja za otkrivanje položaja za kontrolu motora-konkretno, otkrivanje položaja u aplikacijama koje zahtijevaju veće brzine i manje veličine. Korištenje informacija snimljenih iz enkodera za precizno mjerenje položaja motora ključno je za uspješan rad automatizacije i strojeva. Brzi, dvo-kanalni analogni-u-digitalni pretvarači (ADC) sinkronog uzorkovanja visoke-razlučivosti bitne su komponente takvih sustava.
Uvod
Točne informacije o rotaciji motora kao što su položaj, brzina i smjer bitne su za proizvodnju preciznih pogona i kontrolera za nove aplikacije, kao što su strojevi za montažu koji montiraju mikro-komponente na PCB područja s ograničenim prostorom. Nedavno se kontrola motora počela minijaturizirati, omogućujući nove primjene kirurške robotike u zdravstvenoj industriji i nove primjene dronova u zrakoplovstvu i obrani. Manji kontroleri motora također pokreću nove primjene u industrijskoj i komercijalnoj montaži. Dizajnerima izazov leži u ispunjavanju zahtjeva visoke-preciznosti senzora povratne informacije o položaju u aplikacijama velike-brzine uz integriranje svih komponenti unutar ograničenog PCB prostora za ugradnju unutar minijaturnih paketa, kao što su robotske ruke.
Slika 1. Sustav povratne sprege za upravljanje motorom zatvorene{1}}petlje
Kontrola motora
Kontrolna petlja motora (kao što je prikazano na slici 1) prvenstveno se sastoji od motora, kontrolera i sučelja povratne informacije o položaju. Motor okreće osovinu, tjerajući robotsku ruku da se pomiče u skladu s tim. Kontroler motora upravlja kada motor primjenjuje silu, kada se zaustavlja ili kada se nastavlja okretati. Sučelje položaja unutar petlje pruža regulatoru informacije o brzini i položaju. Za strojeve za sastavljanje koji rukuju minijaturnim PCB-površinskim montiranjem, ovi su podaci ključni za pravilan rad. Sve te primjene zahtijevaju točno mjerenje položaja rotirajućih objekata.
Senzori položaja moraju imati iznimno visoku razlučivost kako bi precizno otkrili položaj osovine motora, pokupili odgovarajuće mikro-komponente i postavili ih na ispravna mjesta na ploči. Dodatno, veće brzine motora zahtijevaju veću propusnost petlje i nižu latenciju.
Sustavi povratne informacije o položaju
U -nižim aplikacijama detekcija položaja može se implementirati pomoću inkrementalnih senzora i komparatora. Međutim, vrhunske-aplikacije zahtijevaju složenije signalne lance. Ovi sustavi povratnih informacija uključuju senzore položaja praćene analognim prednjim-prilagođavanjem signala, ADC i ADC pokretačkim programom. Podaci prolaze kroz te komponente prije ulaska u digitalnu domenu. Najprecizniji senzor položaja je optički enkoder. Optički enkoder sastoji se od LED izvora svjetlosti, označenog diska pričvršćenog na osovinu motora i fotodetektora. Disk sadrži neprozirna i prozirna maskirana područja koja blokiraju ili dopuštaju prolaz svjetlosti. Fotodetektor detektira ove svjetlosne signale, pretvarajući svjetlosne impulse za uključivanje/isključivanje u elektroničke signale.
Dok se disk okreće, fotodetektor (sinkroniziran s uzorkom diska) generira male sinusne i kosinusne signale (na razini mV ili µV). Ova konfiguracija tipična je za optičke kodere apsolutnog položaja. Ovi signali ulaze u analogne sklopove za kondicioniranje signala (obično se sastoje od diskretnih pojačala ili analognih PGA za dobivanje signala do 1 V vršnog-do-vršnog raspona), obično za usklađivanje raspona ulaznog napona ADC-a s maksimalnim dinamičkim rasponom. Svaki pojačani sinusni i kosinusni signal tada se hvata pogonskim pojačalom ADC-a za sinkrono uzorkovanje.
Svaki kanal ADC-a mora podržavati sinkrono uzorkovanje za istovremeno dobivanje podatkovnih točaka sinusa i kosinusa, jer te kombinirane točke daju informacije o položaju osi. Rezultati ADC pretvorbe šalju se ASIC-u ili mikrokontroleru. Kontroler motora provjerava položaj enkodera tijekom svakog PWM ciklusa i koristi te podatke za pogon motora prema primljenim naredbama. U prošlosti, za integraciju u ograničeni prostor ploče, dizajneri sustava morali su žrtvovati ili ADC brzinu ili broj kanala.
Slika 2. Sustav povratne informacije o položaju
Optimizirajte povratne informacije o položaju
Kako tehnologija napreduje, aplikacije upravljanja motorom koje zahtijevaju visoko-precizno otkrivanje položaja neprestano se inoviraju. Razlučivost optičkih kodera može se odrediti brojem fino fotolitografiranih utora na disku, obično u rasponu od stotina do tisuća. Uvođenjem ovih sinusnih i kosinusnih signala u ADC-ove velike-brzine, visokih-performansi, mogu se izraditi koderi s većom rezolucijom bez potrebe za promjenama sustava na disku kodera. Na primjer, uzorkovanje sinusnog i kosinusnog signala kodera pri nižoj stopi hvata samo ograničen broj vrijednosti signala, kao što je prikazano na slici 3; ovo ograničava točnost položaja kapacitivnosti. Na slici 3, uzorkovanje pri višoj stopi s ADC-om omogućuje prikupljanje detaljnijih vrijednosti signala, omogućujući preciznije određivanje položaja. Visoka{10}}brza uzorkovanja ADC-a podržava prekomjerno uzorkovanje, dodatno poboljšavajući performanse šuma i eliminirajući neke zahtjeve digitalne post{11}}obrade. Istovremeno, brzina izlaznih podataka ADC-a može se smanjiti, što znači da podržava signale sporije serijske frekvencije, čime se pojednostavljuje digitalno sučelje. Sustavi povratne informacije o položaju motora montirani su na sklop motora, koji u nekim primjenama može biti izuzetno kompaktan. Stoga je veličina kritična za postavljanje modula kodera u ograničeno dostupno područje PCB-a. Integracija višestrukih komponenti kanala unutar jednog minijaturnog paketa nudi značajnu uštedu prostora.
Slika 3. Stopa uzorkovanja
Primjer dizajna povratne informacije o položaju optičkog kodera
Slika 4 ilustrira primjer optimiziranog rješenja prikladnog za sustave povratne informacije o položaju optičkog kodera. Ovaj se sklop lako povezuje s optičkim koderima-apsolutnog tipa, a zatim spremno hvata diferencijalne sinusne i kosinusne signale iz kodera. ADA4940{5}}2 prednje-pojačalo je dvo-kanalno, potpuno diferencijalno-šumno pojačalo koje se koristi za pogon AD7380. Potonji je dvo-kanalni, 16-bitni, potpuno diferencijalni, 4 MSPS sinkroni SAR ADC za uzorkovanje smješten u kompaktnom LFCSP kućištu od 3 mm × 3 mm. Izvor referentnog napona od 2,5 V na-čipu omogućuje implementaciju ovog kruga s minimalnim brojem komponenti. ADC-ovi VCC i VDRIVE, zajedno s tračnicama za napajanje pogonskog sklopa pojačala, mogu se napajati pomoću LDO regulatora kao što su LT3023 i LT3032. Kada su ovi referentni dizajni međusobno povezani (npr. korištenjem optičkog kodera s 1024-utorom koji generira 1024 sinusna i kosinusna ciklusa po okretaju diska kodera), 16-bitni AD7380 uzorkuje svaki utor kodera preko 216 kodova, povećavajući ukupnu rezoluciju kodera na 26 bita. Brzina protoka od 4 MSPS osigurava hvatanje detaljnih informacija o sinusnom i kosinusnom ciklusu zajedno s najnovijim podacima o položaju kodera. Ova visoka propusnost omogućuje implementaciju oversamplinga na čipu, smanjujući vremensko kašnjenje kada digitalni ASIC ili mikrokontroler šalje motoru preciznu povratnu informaciju o položaju kodera. Još jedna prednost preduzorkovanja AD7380 na čipu je mogućnost dodavanja dodatnih 2 bita rezolucije, što se može kombinirati sa značajkom poboljšanja rezolucije na čipu. Ovo poboljšanje rezolucije dodatno poboljšava točnost, postižući do 28 bita. Bilješka o aplikaciji AN-2003 pruža detaljne informacije o mogućnostima AD7380 za oversampling i poboljšanje rezolucije.
Slika 4. Optimizirani dizajn sustava povratne sprege
Zaključak
Sustavi upravljanja motorom zahtijevaju veću preciznost, veće brzine i veću minijaturizaciju. Optički enkoderi služe kao uređaji za detekciju položaja motora. Stoga signalni lanac optičkog kodera mora isporučiti visoku točnost pri mjerenju položaja motora. ADC-ovi velike-brzine,-velike propusnosti precizno hvataju informacije i prenose podatke o položaju motora u upravljač. Brzina, gustoća i izvedba AD7380 zadovoljavaju industrijske zahtjeve dok istovremeno omogućuju veću preciznost u sustavima povratne informacije o položaju i optimiziraju implementaciju sustava.
Autor
Jonathan Colao